摘要：地铁隧道目前主要采用盾构法施工，不可避免的会引起地表沉降，本文以成都地铁3号线一期和7号线工程为工程依托，采用理论分析、现场监测数据对比及数值模拟等手段，深入探讨了成都富水砂卵石地层土压盾构施工引起的地表沉降问题及相应对策，得出了主要影像地表沉降的几个因素，以期对类似地层的盾构施工提供借鉴和参考。
关键词：盾构施工；富水砂卵石；地表沉降
一、前言
盾构法具有对地层的适应性强，隧道成型质量高，机械化作业程度高，对周围环境影响较小，掘进速度快等优点[1]，在城市地铁施工中大规模采用。盾构法施工会导致岩土环境的时空变化效应、地层扰动和地面沉降等问题，过大的地层变位和地面沉降直接影响周边重要建（构）筑物的正常使用，危及施工安全，甚至导致工程事故[2]，造成人民财产的损失等。
成都地区以富水砂卵石地层为主，特别是在市中心及西部、北部地区，大规模穿越富水砂卵石地层，其工程地质具有地下水位高（水位埋深2.0～5.0m，为国内城市地铁砂卵石地层最高水位）、卵漂石含量高（含量高达60～71%，粒径以30～110mm为主）、卵石强度高（单轴抗压强度50～150MPa）等“三高”特点。除卵石粒径大、含量高及有大粒径漂石，局部砂卵石地层还夹透镜体砂层，地下水主要为第四系孔隙水，赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大（一般渗透系数为20～25m/d），地下水水量丰富[3]。
本文以成都地铁3号线一期和7号线工程为依托，采用理论分析、现场监测及数值模拟等手段，综合工程地质条件、水文地质条件及盾构隧道掘进参数等，深入探讨了成都富水砂卵石地层土压盾构施工引起的地表沉降问题及相应对策，以期对类似地层的盾构施工提供借鉴和参考。
二、工程概况
成都地铁3号线一期工程起点为红牌楼南，呈东—北走向，共14站，3座换乘站；成都地铁7号线是一条环绕成都市区的线路位，连接了东客站、火车北站以及火车南站等成都三个交通枢纽，处于成都市二、三环之间的最密集地带，两次交汇于成都市区内所有的地铁线，具有换乘站点多、车流量大、周边环境复杂的特点。
本工程地表第四系堆积层广泛分布，表层多为第四系全新统人工填土（Q4ml）覆盖夹杂砖屑、卵石角砾等，其下为第四系上更新统冲积层（Q3fgl+al ）粘土、粉质粘土、粉土、卵石土夹粉细砂及零星漂石，下伏白垩系灌口组泥岩、泥质砂岩。泥岩中有灰绿色斑点及条带，夹薄层石膏及钙芒硝等。
三、富水砂卵石地层变形机理
3.1 砂卵石地层空洞与临时平衡拱的形成
盾构施工引起的富水砂卵石地层松动主要有两方面的原因，一方面是由于盾构开挖对土体的扰动，导致土体局部应力释放；另一方面是由于开挖过程中的注浆不及时或者超挖导致盾构周围的土体损失[4]。在这两方面效应的共同作用下，会导致地层空洞和临时平衡拱的产生。
成都地区的砂卵石土体相对较松散，卵石抗压强度高、卵石含量高、分布离散性大、粒径大、土体含水量高，土体的抗剪强度很小，特别是在开挖空洞造成的松散区域内，土体粘聚力以及内摩擦角都会相应减小，直接导致砂卵石土体抗剪强度的进一步降低，这种特殊的土体构造导致平衡拱截面上不能承载弯矩及剪力，使得空洞上方土体形成了以卵石及漂石承压的压力拱传力模式，土层空洞上方土体的自重以及两边土体的侧向压力通过平衡拱转化为卵石、漂石中的压应力，再通过拱脚传递到两边未受扰动而相对致密的土体中[5]。
3.2 砂卵石地层空洞与临时平衡拱坍塌机理
盾构施工过程中，刀盘前上方卵石由于施工扰动会变得松散，当盾构掘进产生扰动或长时间换刀时，松散卵石进入土仓在刀盘前上方造成地层损失，形成空洞；由于砂卵石地层的内摩擦角Φ（内摩擦角为35。～40。）较大，具有一定的拱效应，在拱效应的作用下，地层损失进一步向地表转移，从而逐渐坍塌到地表。
四、盾构施工引起沉降变形规律
成都地铁盾构区间地表沉降监测测点布设原则：沿隧道中线走向每5m布设一个测点，每30m布设一个横向监测断面，垂直于隧道中线的方向向外每3m布设一个监测测点。其中始发段或接收段的100m范围内每10m布设一个横向监测断面，前50米按每10m逐步过渡至后50米每20m设置一个横向监测断面。盾构隧道监测测点布置如图5所示。
4.1 横向地表沉降规律
根据成都地铁3号线一期、7号线监测结果，共整理得到12289个地表沉降测点的监测数据。整理得出，砂卵石地层地表沉降值处于0～18mm区间内，地表沉降累计值小于18mm的测点占96.5%，超过18mm的测点仅占3.50%。只有在地质情况较差的特殊地段或盾构出土量超方较大时，地表沉降值才会高于18mm。因此，盾构施工过程中，当地表沉降值高于18mm时，施工监测应启动预警机制，加强监测频率，成都砂卵石地层盾构施工的地表沉降控制值宜为20mm左右。
4.2 纵向地表沉降规律
在盾构刀盘到达该点前，地表沉降会出现正值，但在3mm之内，即会出现细微的地表隆起现象；在刀盘到达测点前后10m处，地表沉降会以一定的趋势增大，沉降曲线基本与水平线呈21.8°～26.6°的夹角；在刀盘到达测点后10m至20m处，沉降会在上阶段的增大趋势上产生一个突变，考虑到刀盘过后的同步注浆，在注浆压力偏大时，该突变表现为沉降变小，注浆压力偏小时，该突变表现沉降变大，注浆压力正常时，则趋于平缓，无突变；在刀盘到达测点20m后，沉降趋于稳定，由于后期固结沉降，地表沉降呈缓慢增大的趋势。
总体来说，对于砂卵石地层，盾构隧道施工引起的地面沉降可以分为初期沉降（盾构到达前的地面变形）、掘进面的沉降（盾构到达时的地面变形）、盾尾沉降（盾构通过时的地面变形）、尾部空隙沉降（盾构通过后的瞬时地面变形）、后期固结沉降五个阶段[6]。
五、盾构掘进参数对沉降变形影响
5.1 总推力和地表沉降的关系
刀盘上的水平推力和切削土体所需的推力影响着盾构刀盘切削面的土体平衡，当盾构机提供的推力可以平衡开挖面的土压力时，掌子面土体能维持稳定，由于不可避免的地层损失，会产生一定的地表沉降，但该沉降很小；当盾构机提供的推力大于开挖面的土压力时，开挖面土体会被挤密，且刀盘的水平力大于相应的被动土压力时，会造成地表隆起；盾构机提供的推力小于开挖面的土压力时，掌子面的土体会发生坍塌，导致地表沉降过大甚至是沉陷[7]。
盾构机总推力增大，地表沉降会减小，但总推力也不能太大，否则土体在盾构机挤压下导致地面隆起产生安全问题，总体来说，当总推力在11000～13000kN时，引起的地表沉降值较小，比较适用于砂卵石地层。
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5.2 刀盘扭矩和地表沉降的关系
盾构掘进过程中刀盘切削的土体涌入土仓，涌入的土量超方时，由于砂卵石土的塑流性差，刀盘开口槽的剪切力矩、刀盘背面的摩擦力矩、刀盘土腔内的搅动力矩将明显增大，可以直接反映土方塌落超方太多，不断坍落反映在地表，表现为地表沉降增大。刀盘扭矩对于地表沉降有很明显的影响作用，当刀盘扭矩增大时，地表沉降变大，当刀盘扭矩在3100kNm～3900kNm时，地表沉降值可以控制在20mm以内的同时，也可以使盾构机保持一定的驱动功率。
5.3 出土量与隧道中线地表沉降的关系
当盾构机的出土方量超过隧道外轮廓的体积后，在刀盘前上方土体会出现松散区域，进而发展为空洞。超出的土方量越大，产生的空洞就越大，松散区域或空洞由地层向地表不断扩展，从而造成地表沉降的监测值增大，在处理不当时，地表建筑物会发生沉降、倾斜以及开裂的现象，严重时会立即引发地面塌陷导致人员车辆掉进坍坑内，造成重大的安全事故。
盾构机直径为6m，每环进尺1.5m，理论体积为42.4m3，考虑到排除土体的松散作用，根据成都地铁施工的地质勘察报告，松散系数可取1.24，可以得到理论的出土方量为52.56m3。
当出土量越大时，超方越多，地层损失的值就越大，从而引起地表沉降增大，当出土量维持在52～54 m3时，地表沉降值较小。
六、砂卵石地层参数对沉降变形影响
6.1 不均匀砂卵石层对于地表沉降的影响
成都砂卵石地层中存在不均匀土层情况，且通常情况下，上层为细粒砂卵石、下层为粗粒砂卵石层。为分析此问题，在相同的隧道埋深、隧道直径以及相同的盾构掘进参数的条件下建立不同的模型，分别取上层细颗粒砂卵石层的厚度为6m、9m、12m、15m、18m，下层为粗颗粒砂卵石进行数值模拟计算。计算中，隧道埋深为18m，隧道直径为6m，考虑到地层不均匀性主要体现在于内摩擦角和粘聚力的变化，故粗颗粒卵石层内摩擦角取38°，粘聚力取3kPa；细颗粒层的内摩擦角取32°，粘聚力取5kPa，每个模型只计算3环，即掘进长度4.5m，并取开挖部分上方的地表沉降值进行分析得出在隧道埋深相同的条件下，细粒砂卵石层的厚度发生变化，粗粒砂卵石层厚度也会随之变化，当细粒砂卵石层越厚时地表沉降值越大，而粗粒砂卵石地层越厚时地表沉降越小，说明粗粒砂卵石地层可以起到抑制地层变形的重要作用，因为卵石粒径越大，地层越容易形成平衡拱，可以有效减小地层变形向上方的发展[8]- [9]。此外，在现场施工中，由于人为降低地层水位的措施，比如降水井，会导致在抽水时不可避免的带出地层中的一部分细颗粒，使得细颗粒卵石地层间会出现间隙，破坏了地层原有的状态，增加了地表沉降值。
6.2 砂卵石地层内摩擦角对地表沉降的影响
为分析内摩擦角对于地表沉降的影响规律，在相同的隧道工程条件和盾构掘进参数下建立模型，计算中，分别取内摩擦角φ为18°、20°、22°、25°、28°、30°、32°、37°、38°、39°、40°等11种情况，隧道埋深为18m，隧道直径为6m，模型掘进4.5m，取掘进部分上方的地表沉降值进行分析得出：
当内摩擦角φ＜25°时，内摩擦角的变化对于地表沉降的影响很小，当内摩擦角25°≤φ≤35°时，地表沉降随内摩擦角的增大而减小，当内摩擦角35°＜φ≤40°时，地表沉降随内摩擦角的增大而减小，且变化趋势更明显。因此，在盾构隧道开挖后，可以采用提高砂卵石地层的内摩擦角的措施来控制施工引起的地表沉降。
6.3 砂卵石地层中透镜体对地表沉降的影响
在成都地区，砂卵石地层中通常夹杂有透镜体。而在盾构施工过程中，遇到有透镜体的地层对于地表沉降的影响很大。因此为分析不同透镜体影响因素对地表沉降的影响，主要考虑透镜体的厚度和透镜体底端距离隧道顶部的高度两方面的因素。计算中，模型取均匀砂卵石地层，隧道埋深为18m，隧道直径为6m，透镜体厚度分别取3.0m、2.0m、1.5m、1.0m、0.5m，透镜体底端距离隧道顶部距离分别取1.5m，3.0m，4.5m，6.0m。由计算得出当透镜体的厚度以及隧道埋深相同的条件下，透镜体的高度在0～6m的范围内变化，而隧道中心的地表沉降的变化不大，高度超过6m后模型计算难以收敛，高度超过6m后，地表沉降会骤然增大。所以在距离隧道顶部6m的高度范围内，透镜体高度对于地表沉降的影响作用较小，可以忽略，但高度超过6m后，地表沉降会急剧增大，隧道上方土体有塌方的可能。
结论及建议
（1）成都富水砂卵石地层盾构施工过程中上方易形成空洞，砂卵石地层骨架效应较好，产生临时平衡拱，在一定时间内可自稳，在地面荷载作用下，逐步延伸至地表，以致临时平衡拱破坏，造成地表塌陷，且表现为滞后性，短则一两个月，多则一年甚至两年以上，施工风险和隐患极大，对安全施工造成了一定的困扰。
（2）成都富水砂卵石地层盾构施工，当总推力在11000～13000kN，刀盘扭矩在3100kNm～3900kNm，出土量维持在52～54m3时，可以有效控制地表沉降的大小。
（3）在一般情况下，成都砂卵石地层盾构施工的地表沉降控制值宜为20mm，地表沉降的测点主要宜布设在距离隧道中线左右12m的范围内。
（4）细颗粒层越厚地表沉降越大，粗颗粒越厚地层容易形成平衡拱，可以抑制由于盾构开挖产生的地层变形向上发展，减小地表沉降；地表沉降随内摩擦角的增大而减小，在盾构隧道开挖后，可以采用提高砂卵石地层的内摩擦角的措施来控制施工引起的地表沉降；透镜体底端距离隧道顶部距离在0～3m范围内，透镜体厚度增大，地表沉降变大，高度在0～6m范围内，对于地表沉降的影响不大。
参考文献：
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[9]安红刚，王钧，胡向东，赵其华.盾构法隧道施工地表变形的小样本智能预测[J].成都理工大学学报（自然科学版），2005，04：362-367
论文作者:肖建辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/12
标签：盾构论文; 地表论文; 卵石论文; 地层论文; 隧道论文; 成都论文; 透镜论文; 《基层建设》2019年第18期论文;